李金城 
低溫閥門在化肥、LNG 及石油化工等領(lǐng)域使用較多，所控制的介質(zhì)除了液氮和其他液態(tài)惰性氣體外，大部分介質(zhì)不但易燃、易爆，而且在升溫或者閃蒸時(shí)會發(fā)生氣化，致使體積急劇膨脹，容易導(dǎo)致泄漏和爆炸。行業(yè)內(nèi)一般將應(yīng)用在介質(zhì)溫度 -40 ℃以下的閥門稱作低溫閥，應(yīng)用在介質(zhì)溫度 -101 ℃以下的閥門稱作超低溫閥門。
低溫閥門的材料選擇
在低溫狀態(tài)下鋼的機(jī)械性能與常溫時(shí)不同，低溫用鋼，除強(qiáng)度外，最重要的指標(biāo)就是其低溫沖擊韌性。材料的低溫沖擊韌性與材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度有關(guān)，材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度愈低，材料的低溫沖擊韌性愈好。碳鋼等體心立方晶格的金屬材料存在低溫冷脆現(xiàn)象，而奧氏體不銹鋼等面心立方晶格的金屬材料其沖擊韌性基本不受低溫影響。
低溫閥門閥體、閥蓋等耐壓零件的材料，通常采用低溫強(qiáng)度好的韌性材料，同時(shí)還要考慮焊接性、機(jī)加工性能、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性等因素。
設(shè)計(jì)時(shí)，最常用的是 -46℃、-101℃和-196℃三個(gè)低溫級別。-46℃低溫級一般選用低溫碳鋼，-101℃和 -196℃低溫級一般選用 300系列奧氏體不銹鋼，這種不銹鋼有適中的強(qiáng)度、較好的韌性和較好的加工性能等。
低溫閥門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1）閥蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
低溫閥門的一個(gè)最顯注的特點(diǎn)就是其閥蓋一般為長頸結(jié)構(gòu)，在 GB/T 24925《低溫閥門技術(shù)條件》中也有明確規(guī)定 “低溫閘閥、截止閥、球閥、蝶閥的閥蓋應(yīng)根據(jù)不同的使用溫度要求設(shè)計(jì)成便于保冷的長頸閥蓋結(jié)構(gòu)，以保證填料函底部的溫度保持在 0℃以上”。 加長閥蓋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要是為了使閥門操作手柄和填料函結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)離低溫區(qū)，既可以避免溫度太低造成操作人員凍傷，也可以保證填料函和壓套在正常的溫度下使用，防止填料的密封性能降低，延長填料的使用壽命。因?yàn)樵诘蜏貭顟B(tài)下隨著溫度的降低，填料彈性逐漸消失，防漏性能隨之下降，由于介質(zhì)滲漏造成填料與閥桿處結(jié)冰，影響閥桿正常操作，同時(shí)也會因閥桿上下移動而將填料劃傷，引起嚴(yán)重泄漏。所以低溫閥門必須采用長頸閥蓋結(jié)構(gòu)形式。此外，長頸結(jié)構(gòu)還便于纏繞保冷材料，防止冷能損失。由于低溫管道一般有著較厚的保冷層厚度，長頸閥蓋便于保冷施工，并使填料壓蓋處于保冷層外，有利于需要時(shí)隨時(shí)緊固壓蓋螺栓或添加填料而無需損壞保冷層。在進(jìn)行長度選用時(shí)除了要滿足BS、MSS SP等標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)單位的特殊要求外，還需考慮設(shè)計(jì)保冷層厚度是否大于該長度，如是則應(yīng)加長以和保冷厚度匹配。
2）滴水板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
由于閥門內(nèi)傳遞是低溫介質(zhì)，為了避免或減少介質(zhì)溫度向閥桿及其上端的填充材料傳遞，防止這些材料因凍結(jié)而失效，可在閥門中增加滴水板結(jié)構(gòu)。一些研究機(jī)構(gòu)對這種帶有滴水板結(jié)構(gòu)的閥門進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并證明了帶有滴水板的閥門閥蓋上端溫度較高。由于延長閥蓋上部的溫度較低，通常情況下閥門暴露在空氣中，空氣中的水蒸氣遇到低溫閥蓋會液化成水珠，滴水板的直徑超過中法蘭直徑，可以防止低溫液化的水蒸氣滴落在中法蘭螺栓上，避免螺栓銹燭影響在線維修。此外，滴水板需設(shè)置在保冷層外側(cè)，可以防止冷凝的水滴落到保冷層及閥體上部，保護(hù)保冷層及防止冷量流失。
3）泄壓部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
對于有密閉中腔結(jié)構(gòu)的低溫閥門，當(dāng)應(yīng)用在易燃、易爆且容易氣化的介質(zhì)時(shí)，對于閥門密封結(jié)構(gòu)有著特殊的要求。一些低溫介質(zhì)在汽化后其體積會升高，例如，液化天然氣汽化后的體積為液態(tài)時(shí)的六百多倍，當(dāng)閥門為閉合狀態(tài)且周圍環(huán)境溫度相對較高時(shí)，閥體內(nèi)的低溫介質(zhì)吸收環(huán)境中熱量而逐漸汽化，其體積迅速上升，導(dǎo)致閥門內(nèi)部超壓，甚至威脅到閥門的安全，導(dǎo)致介質(zhì)泄露甚至造成火災(zāi)事故，為保證閥門和工廠的安全性，此類閥門要求帶中腔自泄壓結(jié)構(gòu)，使閥門內(nèi)腔壓力異常超壓時(shí)，實(shí)現(xiàn)自動泄放。如低溫閘閥、球閥，由于閥門密封原理不同，在泄壓設(shè)計(jì)上，會有明顯的區(qū)別。不過不同的廠家在泄壓結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，多有自己不同的特點(diǎn)。下圖為典型的閘閥泄壓孔開法。
4）防靜電及防火結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
由于低溫閥門一般應(yīng)用在易燃、易爆的介質(zhì)上，防靜電設(shè)計(jì)及防火設(shè)計(jì)顯得尤為重要。防靜電設(shè)計(jì)主要是以一種類似避雷針的引導(dǎo)電流方式，將閥桿與閥體導(dǎo)通，從而將靜電導(dǎo)出以消除安全隱患，保證整個(gè)系統(tǒng)的供應(yīng)安全。防火結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要是針對因溫度劇烈變化而導(dǎo)致的介質(zhì)泄露問題而進(jìn)行的，防火結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與普通閥門的設(shè)計(jì)要求類似。
5）閥體
閥體應(yīng)能充分承受溫度變化而引起的膨脹、收縮。而且閥座部位的結(jié)構(gòu)不會因溫度變化而產(chǎn)生永久變形。
6）閥瓣
閘閥采用撓性閘板或開式閘板；截止閥的平閥座及針形閥，采用塞子形的閥瓣。這些結(jié)構(gòu)形式不論溫度如何變化，均能保持可靠的密封。
7）閥桿
閥桿需鍍鉻、鍍鎳磷或經(jīng)氮化處理，以提高閥桿表面硬度，防止閥桿與填料、填料壓套（壓蓋）相互咬死，損壞密封填料，造成填料函泄漏。
8）墊片
墊片選用要考慮墊片材料的低溫性能，如壓縮回彈性、預(yù)緊力、緊固壓力分布以及應(yīng)力松弛特性等。
9）填料函及填料
填料函不能與低溫段直接接觸，而設(shè)在長頸閥蓋頂端，使填料函處于離低溫較遠(yuǎn)的位置，在0℃以上的溫度環(huán)境下工作。這樣，提高了填料函的密封效果。在泄漏時(shí)，或當(dāng)?shù)蜏亓黧w直接接觸填料造成密封效果下降時(shí)，可以從填料函中間加入潤滑脂形成油封層，降低填料函的壓差，作為輔助密封措施。填料函多采用帶有中間金屬隔離環(huán)的二段填料結(jié)構(gòu)。但也有的采用一般閥門填料函結(jié)構(gòu)和閥桿能自緊的二重填料函結(jié)構(gòu)等其他型式。
10）上密封
低溫閥都設(shè)上密封座結(jié)構(gòu)，上密封面要堆焊鈷鉻鎢硬質(zhì)合金，精加工后研磨。
11）閥座、閥瓣（閘板）密封面
低溫閥的關(guān)閉件采用鈷鉻鎢硬質(zhì)合金堆焊結(jié)構(gòu)。軟密封結(jié)構(gòu)由于聚四氟乙烯膨脹系數(shù)大，低溫變脆，所以僅適用于溫度高于-70℃的低溫閥，但聚三氟乙烯可用于-162℃的低溫閥。
12）中法蘭螺栓
螺栓應(yīng)有足夠的強(qiáng)度，這是因?yàn)槁菟ㄔ诜磸?fù)載荷下工作，常會因疲勞而產(chǎn)生斷裂。因螺栓在螺紋根部易引起應(yīng)力集中，所以最好采用全螺紋結(jié)構(gòu)的螺栓。
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